国际科学教育研究热点分析及启示

李佳 刘久成

摘要： 运用citespace对国际科学教育领域八种SSCI期刊2000～2022年的数据进行研究，发现国际科学教育的研究热点领域包括素养的多维度发展；注重科学探究和情境化教学实践；重视教师专业化发展；关注教育主体内在差异。研究前沿经历了从学生观念到发展科学素养、STEM教育的演进，且始终关注师生的学习和发展。结果启示须关注国际科学研究的前沿动态，基于跨学科学习弥补分科课程不足，变革传统的教育方式。

关键词： 科学教育； 可视化知识图谱； 热点； 前沿

文章编号： 1005-6629（2024）02-0014-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

21世紀以来各国都在努力变革科学教育。以美国为例，2000年发布《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》，详细描述了科学探究，并将其作为科学学习的重要手段。2011年颁布《K-12科学教育框架》，提出从科学与工程实践、贯穿各领域的核心概念以及各学科核心思想三个维度把握科学教育［1］。另外，库恩的《科学革命的结构》对科学的范式发起了挑战。这些变革和挑战对国际科学教育的理念、教学方式等产生了深远的影响，研究热点、前沿也随之发生变化。

国际科学教育的研究成果斐然的同时，研究内容愈来愈丰富和深化，探讨国际科学教育研究的热点和前沿可以启示我国的科学教育发展的方向和着力点。目前，对科学教育研究文献很多，但对国际研究现状的把握较少。此外，研究视角多是微观层面的局部研究领域分析，缺少宏观透视国际科学教育的整体走势及背后原因的分析。缘此，本研究以高质量的学术期刊和学术成果为研究基础，借助citespace可视化分析软件，把握21世纪以来国际科学教育热点，以期为我国科学教育研究提供参考和借鉴。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

研究数据来源于SSCI数据库中2021年“期刊引证报告”（JCR）中位于Q1区、Q2区的八种有关科学教育的期刊。分别是《International Journal of STEM Education》《Journal of Research in Science Teaching》《Science Education》《Studies in Science Education》《Journal of Science Education and Technology》《Science & Education》《International Journal of Science Education》《Research in Science Education》。

选择这八本期刊，基于以下两方面考虑：首先，JCR期刊分区的权威性，JCR中“影响因子”（IF）是衡量一本期刊质量的重要指标，期刊的影响因子在领域内前25%划为Q1区，是该学科内的顶级期刊。期刊影响因子排在领域内25%到50%划为Q2区。一般认为Q1区、Q2区的期刊均为领域内权威期刊。其次，根据布拉德福文献离散规律，处于核心区的期刊最能刊载该学科领域的论文，反映学科的研究内容和知识基础［2］。

时间段设置为2000～2022年，基于2000年美国颁布《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》，指南强调探究式学习是科学教育的核心。这对国际科学教育理念和内容产生了重要影响，2001年我国颁布的义务教育课程标准首次增加了科学探究内容。基于此，本研究关注自2000年以来的科学教育研究热点、前沿。

研究所需要的样本数据仅包括论文数据，剔除了书评、社论材料、综述、简报等，共得到有效记录文献7443篇。

1.2 研究方法

研究采用定量研究、定性分析相结合的方法。基于citespace5.7.R5软件对样本数据进行可视化处理和定量分析，在此基础上对文献进一步定性分析。基于关键词词频高低（词频分析法）确定科学教育研究的热点，利用关键词聚类确定科学教育研究聚焦的领域，通过关键词突现值分析，探测科学教育研究的前沿。

1.3 数据处理

将检索到的7443篇文献记录使用citespace5.7.R5软件分析，数据处理设置如下：时间切片设置为2000～2022年，1年为一个时区；术语来源为标题、摘要、作者关键词、附加关键词；节点类型选择关键词的选择标准设定为topN=50，并利用寻径算法修剪切片网络，修剪合并网络，裁剪可视化网络。

2 研究热点分析

2.1 基于关键词共现图谱的研究热点分析

数据导入citespace5.7.R5后，得到如图1所示的关键词共现图谱。图谱中的节点代表关键词，节点大小代表出现频次的高低，连线的强弱代表关键词共现的次数（或强度），节点的标签字体大小代表了关键词中心性的强度。根据关键词的词频高低确定研究热点，高频关键词（见表1）反映出科学教育领域研究的热点话题。关键词的中心性强弱体现了关键词在整个共现网络中的媒介能力，根据关键词的中心性的强弱确定共现网络中有影响力的节点。

由图1、表1可知，从研究对象群体分析，学生出现的频次多于教师，说明对学生群体的研究多于对教师群体的研究，科学教育更加重视育人，关注学生群体和学生学习。从学科分布上看，科学教育领域在物理、数学方面研究相对较多，其次是化学、生物学科。从关键词学校、课堂出现的频次可以看出，科学教育发生场所主要在学校课堂，还是以正式的学校教育为主，课堂是主要阵地。

从科学教育研究的内容看，最为热点的关键词是知识，虽然科学教育最终指向学生素养的发展，不再一味追求传播科学知识，但并不意味着知识不重要。相反，科学教育仍然以知识学习为主，聚焦如何基于知识学习促进学生素养的发展。另一个热点关键词是探究，科学探究成为研究热点缘于美国先后颁布的《科学教育标准》《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》明确将探究作为科学学习的重要手段，并且从标准、指南的被引频次，可以看出对国际科学教育产生重要影响。其他高频关键词显示科学教育逐渐与其他学科交叉融合，融入了学习心理学（信念、态度、动机等）、认知机制的研究（概念理解与转变，基于模型认知），最终指向学生素养的发展。

从关键词中心性上看，中心性最为突出的两个关键词是哲学和探究，中心性强，说明关键词在整个共现网络中具有很强的媒介能力，对科学教育的研究影响很大。科学探究作为热点关键词，作为学习科学的重要方式以及发展学生素养的重要手段，因此具有很强的中心性。需要关注的是关键词哲学中心性最高，但频次较低，二者的反差，说明科学哲学对科学教育产生了重要影响，但目前相关研究相对薄弱，在今后的研究中需要引起更多关注。

2.2 关键词聚类分析

关键词聚类分析将关系紧密的关键词归于同一聚类内，有助于识别和探测重要知识子群。本研究关键词聚类得到的聚类模块值Q（modularity）为0.7994，平均轮廓值S（silhouette）为0.9226，聚类结果合理可靠。聚类后选择LLR算法生成聚类标签（如图2所示），#0性别、#1探究、#2观念、#3专业发展、#4科学教育、#5重力、#6思维、#7化学、#8物理、#9科学、#10论证、#11技术、#12信念、#13框架、#15教学。

聚类结果可以为研究者提供一个初步的研究视角和方向。但聚类标签是自动抽取、选择具体化的名词短语，过于具体化，导致自动抽取的标注不易被理解也不够全面。因此，结合人工整理和评估，从而明确研究的领域是必要的。仔细研读聚类内的关键词及其关系，结合关键词词频，研究表明#5、 #6、 #9、 #10、 #11、 #13聚类内涉及的内容主要有关概念理解、科学思维、模型的开发和使用、论证、科学决策、科学本质观等素养层面的内容。#1、 #7、 #8、 #15、 #4涉及的关键词有探究、翻转课堂、情境、教学、文本、插图、教学评估等教学实践领域内容，既关注到教学方式的多样化，又关注到教学材料和教学评估的研究。#0、 #2、 #12包含的主要关键词有性别、动机、成就、态度、种族、兴趣、信念、教师观念、观念等教学主体内在差异性的研究。#3关注到教师专业发展与教学实践。故本研究从四个方面阐述科学教育研究的热点领域。

2.2.1 学生素养的研究

素养（literacy）提出源于20世纪50年代美国确保在太空竞赛取得优势，开始关注公众的“科学素养”。科学素养是一个渐进发展的、多维度的概念。从传统的应用、理解科学知识，到形成科学观念、培养科学思维等，随着社会的发展和多学科的交叉渗透，素养的内涵在逐步丰富和完善。

#5、#13聚类关注到学生概念的转变与观念的形成，概念是人们通过将现实世界进行抽象、概括化思考来获取知识和理解的结果［3］。学生的前概念、先入为主观念、替代框架与所要学习概念之间有时会存在不符和出入，以概念转变理论和知识建构理论作为理论指导，促进学生对所学习概念的理解。概念转变是一个认知重构的过程，学生通过对世界运行方式的先前理解或信念干预、修正，以更接近专家领域的主导性概念［4］。越来越多的研究关注到概念转变的策略、路径。

#6聚类关注学生科学思维的发展，注意到专家型和新手型在科学思维上的差异。科学思维帮助学生在解決问题、分析数据和评估证据等方面具备独立思考和判断的能力，包括批判性思维、逻辑思维、创造性思维、系统性思维等多种类型。影响学生系统思维的根源是学生个体的认知能力和参与知识整合的程度［5］。系统思维作为高阶思维技能，可以在小学得到一定程度的发展，并为未来更高阶段的系统思维发展奠定基础［6］。

#9聚类、#11聚类关注开发和使用模型以促进学生概念理解、科学本质观发展。模型是对事物（包括实物、概念、理论、过程等）的表征，可以帮助解释、预测现象。课堂中师生模仿科学家开发和使用模型，涵盖了模型的构建、应用、评估和修正等各方面，有助于学生形成系统性的思维和分析能力［7］。在文本材料中呈现概念模型建构过程，可以帮助学生更好地应用科学信息构建概念知识，并帮助他们发展建模能力［8］。

#10聚类关注学生科学论证和科学决策之间的关系，论证是一种重要的科学话语，能够推动学习者参与有关科学问题的公共话语，收集证据并评估证据的可靠性，基于证据推理并与他人进行有意义的交流和讨论，成为发展学生科学素养的重要途径。社会科学问题（SSI）为论证和科学决策提供了很好的平台，SSI解决方案需要考量多方面（如科学理论、社会、政治、伦理等）且具有不确定性，在解决问题的过程中，可以发展学生对科学本质的理解［9］。

2.2.2 教学实践的探索

首先关注多样化教学方式、策略在教学实践中的应用，如#1聚类研究探究式教学的应用。当前研究关注探究内涵的研究，探究模式的创新（如基于模型探究、解释驱动探究），探究层次的深化，探究式教学实施策略和影响因素研究。影响新教师探究式教学实施的因素包括教师对科学和科学探究本质的理解、教学内容、教师的教学内容知识、教师的教学信念等［10］。#7聚类涉及翻转课堂在化学、生物、STEM等学科的应用。#8聚类将情景融入物理、地球等学科教学。研究关注到情境教学对科学概念理解、科学本质观形成以及科学认知发展的影响。

其次关注教学材料的研究分析，#15聚类将教学、教学文本、课程相关联，考察教学材料的文本、插图、直观性、可读性等。教学中最常使用的教学文本材料是教科书，相关研究从不同维度构建评估教科书内容的框架。

最后关注教学实践评估，#4聚类专注于科学教育的评估理论和实践，包括对评估的公平性、影响因子、统计方法与多变量分析的研究，同时还涉及课堂观察协议。评估内容不仅包含学生的知识掌握情况，还延伸到探究能力、跨学科能力、素养等评估。对科学探究的评估，既有对科学探究活动本身质量，又有测量学生的科学探究能力等方面评价工具的开发。

2.2.3 教学主体的内在差异研究

教师和学生是教学主要参与者，也是教和学的主体。本领域分别研究了学生、教师的内在差异对教育实践和学业成就的影响。#0聚类关注到STEM课程中，性别、动机、态度、种族、兴趣等内在因素之间的关系及对学业成就的影响，#12聚类关注到信念、先验知识对科学教学的影响。相关研究表明性别的偏好对学习兴趣、动机、态度的影响小于教学环境、学科的内容对象。影响兴趣、动机、态度的因素有很多，如自我效能感、良好的情境化、协作工作、新奇事物等［11］。对待科学的态度影响学生的科学观、未来职业意识和课堂参与［12］。

#2聚类关注到教师的内在差异性，研究教师观念、经验、经历、认识论信仰和世界观等对教学实践的影响。曼苏尔（Mansour）调查了教师信念与教学实践之间的关系，发现教师信念和教学实践并不总是一致的［13］。

2.2.4 教师的专业化发展

此领域涉及到的聚类为#3，该聚类关注到教师专业发展与教育改革、教学实践、教学策略、教学质量等关系。教师专业发展的质量影响着教育改革理念落地。目前各个国家、地区和组织都在寻求更符合本地发展需求的教师专业发展培养路径，包括基于实证调查，研究教师专业发展计划的必要性。基于多种技术、方法对教学实践进行分析，如罗斯等学者构建了基于视频实践分析教学实践的维度，帮助教师提高科学内容知识和分析科学教学能力［14］。同时，科学教育改革背景下的教师专业发展，政策的制定和执行不能盲目自上而下，应重视教师的经验［15］，还要调查教师的实践知识，基于网络学习、同伴帮助等多种方式实现教师实践知识的提升［16］。

3 基于关键词突现的研究前沿分析

研究前沿代表该研究在某一段时间内突然爆发，可能成为未来科学教育研究热点。研究前沿可以通过关键词的突现强度进行判断，以下梳理出2000年来突现强度较高的关键词（见表2）。

从改革的视角，科学教育研究前沿经历了从学生观念、科学素养到STEM的演进。随着社会发展对人才需求和培养模式的重新定位，改革的发生是必然。初期对学生观念的调查研究，多局限于具体学科知识内容，关注学生观念与书本概念之间的关系。学生观念更多地侧重于学生个体对知识的感知和看法构建，注重概念转变的发生，这一阶段仍以确保学生掌握科学知识作为教学核心。

随着对教育的反思，逐渐认识到仅掌握科学知识是不够的，基于学科知识发展学生的科学思维、问题解决能力、科学态度价值观等科学素养是必要的。美国出台《把科学带到学校：K-8年级的学与教科学》《下一代课程標准》等政策文件明确要求发展学生科学素养，PISA和TIMSS等对学生科学素养从不同维度的评估，科学素养的内涵也在愈加丰富和深化。随着社会发展对人才的需求，越来越重视和需要培养具备跨学科素养的人才，由此，STEM教育成为科学教育研究的前沿。美国政府连续出台了《白宫：联邦STEM教育五年战略计划》《2015年STEM教育法案》等政策文件，从政策上支持和保障STEM教育。当前STEM教育研究聚焦于STEM课程设计与整合，STEM课程的教学策略、影响因素及评估。

从研究的视角看，始终关注学生、教师的学习和发展，只是不同阶段侧重点有所差异。最初，关注心智模型，心智模型作为个体对某一概念的内在表示或认知结构，对学生心智模型的探讨和调整，旨在帮助学生建立更准确、更完整的知识结构。随后，为解决美国K-12教育片面追求学习内容的广度而忽视深度，整个教育过程缺乏系统性的问题，美国提出了学习进阶。2011年颁布的K-12教育框架提供了不同学段学习进阶模式，学习内容上“少而精”，不同学段深度进阶上要求连贯性和可操作性，随后几年对学习进阶的实践研究更加深入和细致。当前，科学教育关注师生的自我效能感和教学内容知识（PCK），大量的研究证实了自我效能感在学生的参与、坚持、学业成绩、动机等方面有促进作用［17］。不同阶段侧重点不同，从注重知识学习的准确性、完备性，到关注学习内容的深度，学习内容“少而精”，继而到基于学习内容提升学生内在的满足感、获得感，这种演进反映了对教育目标和方法的深入思考，科学教育所承担的育人功能愈加丰富、育人价值得以彰显。同时对教师专业发展也趋于具体化，教学内容知识（PCK）作为教师专业知识的重要组成部分，关注教师如何将自身的内容知识转化成对学生有意义且易于理解的知识［18］。对PCK的关注反映出科学教育需要根据实际教学场景、学生的需求和背景来及时调整教学方法，以更有效地满足学生的学习需求。另外，21世纪国际教育改革，课程和教学方法也在进行调整，也需要教育界重视PCK。

4 思考与启示

研究热点和前沿反映了社会和人的发展对科学教育的诉求，为教育改革和发展提供了方向，对我国当下及未来的科学教育予以启示。

4.1 关注国际科学教育研究的前沿动态

国际上的经验和理念为我国科学教育的发展打开了新思路，需要关注国际科学教育研究的新动态，尤其是近几年的国际科学教育研究的前沿话题，从而启示我国未来科学教育发展。目前，国际科学教育研究的热点、前沿主题很多已在我国科学教育研究中得到重视，如科学素养、教师PCK等，STEM教育虽然在我国起步较迟，但近几年有关STEM研究的文献明显激增，得到研究者们的重视。但少数前沿主题的研究略显不足，如自我效能感作为影响学生学习动机和成就、影响教师教学实践的关键因素，在国际上近几年突现值较高，但在我国当前的科学教育研究发文量上略显薄弱。

4.2 基于跨学科学习弥补分科课程不足

国际有关STEM跨学科研究日趋丰富和完善，我国跨学科学习起步较迟，尚处于探索阶段。目前我国中学阶段，大部分地区长期实行分科课程，这在一定程度上确保了各学科的内容深度和知识的系统性。但随着社会和技术的快速发展，跨学科能力成为新的需求，现行的应试教育模式在很大程度上限制了学生的跨学科思考能力。因此，2022年版义务教育新课标增加了跨学科实践活动，以化学课程标准为例，强调将化学、技术、工程进行融合，这是对国际科学教育前沿的本土化尝试，在一定程度上弥补当下分科课程的缺失。不过，这对当下的理科教育是巨大挑战，很多教师只在某一学科领域接受专业训练，跨学科的教学内容知识、学生的跨学科能力评价等存在欠缺。另外，在我国分科课程背景下，需要加强跨学科学习研究，开发更多的跨学科学习案例和实践来指导教学实践。

4.3 变革传统教学方式

首先，变革传授结论式的课堂教学方式，关注学生概念转变和观念发展的过程。国际科学教育关注学生概念的转变，区别于传统灌输式教学，概念转变需要重视学生已有的观念、迷思概念，学生的已有观念可能与结论式的概念存在出入，这就需要创设能够激发学生认知冲突的情境，促进学生主动探究、认知重组，关注到知识的建构性。

其次，创设能使学生深度参与、互动交流的教学环境。改变传统教学中教师一言堂，或教师提问-学生回忆回答的浅层参与模式。国际科学教育倡导的科学思维的发展、模型的开发和使用，都需要学生深度参与到学习活动中并调动认知能动性。另外，模型开发和使用并不都是完美的，需要評估模型并修正，这个过程中需要师生、生生之间进行有意义的互动，需要基于证据来推理论证自己或他人的模型产品，需要调动高阶思维能力和批判性思维，这些都需要关注教学过程中教学环境的创设。

参考文献：

［1］张宝辉， 张红霞， 彭蜀晋. 全球化背景下的科学教育发展与变革——2012国际科学教育研讨会综述［J］. 全球教育展望， 2013， 42（4）： 120～128.

［2］王知津， 李博雅. 近五年我国情报学研究热点动态变化分析——基于布拉德福定律分区理论［J］. 情报资料工作， 2016， （3）： 34～40.

［3］亓英丽， 李亭亭. 科学概念教学中的原型分析［J］. 教学与管理， 2020，（21）： 84～86.

［4］冯春艳， 陈旭远. 国外科学概念转变教学研究： 模式、策略及启示［J］. 理论月刊， 2021， （3）： 150～160.

［5］Assaraf O B Z， Orion N. Development of system thinking skills in the context of earth system education ［J］. Journal of Research in Science Teaching： The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching， 2005， 42（5）： 518～560.

［6］Dori Y J， Tal R T， Tsaushu M. Teaching biotechnology through case studies — can we improve higher order thinking skills of nonscience majors？ ［J］. Science Education， 2003， 87（6）： 767～793.

［7］de S Ibraim S， Justi R. Discussing paths trodden by PCK： An invitation to reflection ［J］. Research in Science Education， 2021， 51（2）： 699～724.

［8］Jong J P， Chiu M E I H， CHUNG S L A N. The use of modeling-based text to improve students modeling competencies ［J］. Science Education， 2015， 99（5）： 986～1018.

［9］Lederman N G， Antink A， Bartos S. Nature of science， scientific inquiry， and socio-scientific issues arising from genetics： A pathway to developing a scientifically literate citizenry ［J］. Science & Education， 2014， （23）： 285～302.

［10］Roehrig G H， Luft J A. Constraints experienced by beginning secondary science teachers in implementing scientific inquiry lessons ［J］. International Journal of Science Education， 2004， 26（1）： 3～24.

［11］Potvin P，  Hasni A. Interest， motivation and attitude towards science and technology at K-12 levels： A systematic review of 12 years of educational research ［J］. Studies in Science Education， 2014，50（1）： 85～129.

［12］Osborne J， Simon S，  Collins S. Attitudes toward science： a review of the literature and its implications ［J］. International Journal of Science Education， 2003，25（9）： 1049～1079.

［13］Mansour N. Consistencies and inconsistencies between science teachers beliefs and practices ［J］. International journal of science education， 2013， 35（7）： 1230～1275.

［14］Roth K J， Garnier H E， Chen C， et al. Videobased lesson analysis： Effective science PD for teacher and student learning ［J］. Journal of Research in Science Teaching， 2011， 48（2）： 117～148.

［15］Towndrow P A， Tan A L， Yung B H W， et al. Science teachers professional development and changes in science practical assessment practices： What are the issues？ ［J］. Research in Science Education， 2010， 40（2）： 117～132.

［16］Van Driel J H， Beijaard D， Verloop N. Professional development and reform in science education： The role of teachers practical knowledge ［J］. Journal of Research in Science Teaching： The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching， 2001， 38（2）： 137～158.

［17］Dorfman B S， Fortus D. Students self-efficacy for science in different school systems ［J］. Journal of research in science teaching， 2019， 56（8）： 1037～1059.

［18］Park S， Jang J Y， Chen Y C， et al. Is pedagogical content knowledge （PCK） necessary for reformed science teaching？： Evidence from an empirical study ［J］. Research in Science Education， 2011， （41）： 245～260.